CN206410796U - 集成在晶体管上纵向pn结的温度传感二极管结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，第一多晶硅层上部连接有第二氧化层，第二氧化层具有向下隔离出二极管区域的隔离部分，第二氧化层上部连接有第二多晶硅层和绝缘介质层，绝缘介质层的环形隔离部分将第二多晶硅层形成不相连接的二极管第二掺杂区和位于二极管第二掺杂区外围的隔离保护环，且隔离保护环不闭合，第二多晶硅层向下延伸与二极管第二掺杂区连接形成纵向的PN结，二极管的第一电极与第一多晶硅层连接、第二电极与二极管第二掺杂区连接，保护电极隔离保护环连接，保护电极与第二电极连接形成等电位。本实用新型能够实时探测晶体管芯片温度，能减少外界电流电压及电场变化能对温度传感二极管影响。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，属于晶体管技术领域。
背景技术
大电流、大功率的功率半导体模块越来越多应用于汽车领域，需要对绝缘栅双极晶体管(IGBT)或场效应晶体管(MOSFET)采取过温、过流、过压等保护措施，因此往往需要将IGBT或MOSFET与温度传感器集成在一起。通过集成的温度传感器可以实时、有效检测模块、芯片的温度，从而及时对器件进行保护。目前功率半导体模块大多是将温度敏感元件与IGBT或MOSFET芯片封装于同一模块中，而该温度敏感元件是检测电路的温度，并把温度信号转换成热电动势信号,这种结构的温度传感器无法直接检测到芯片内部的温度，在晶体管出现瞬间过温、过流和过压时，温度敏感元件检测无法真正起到保护作用。
目前先进的温度传感器采用多晶薄膜结构，以实现温度检测功能，一方面该多晶薄膜二极管采用横向PN结，其耐压与面积成正比，需要兼顾。另一方面该多晶薄膜二极管也需要通过内部电路与晶体管连接，造成功率半导体模块结构复杂，且与IGBT、MOSFET等晶体管工艺不完全兼容，提高了制作成本。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种结构合理，集成在晶体管芯片的有源区内，能够实时探测晶体管芯片温度，并能减少外界电流、电压及电场变化对温度传感二极管影响，能与晶体管工艺兼容，降低制造成本的一种集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构。
本实用新型为达到上述目的的技术方案是：一种集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，其特征在于：硅片有源区内依次连接有第一氧化层和其上部的第一多晶硅层，所述第一多晶硅层上部连接有第二氧化层，第二氧化层具有向下穿过第一多晶硅层和第一氧化层并与晶体管连接用以隔离出二极管区域的隔离部分，隔离部分内的第一多晶硅层形成二极管第一掺杂区，第二氧化层上部连接有二极管区域处的第二多晶硅层及顶部的绝缘介质层，绝缘介质层具有向下穿过第二多晶硅层与第二氧化层连接的环形隔离部分，环形隔离部分将第二多晶硅层形成不相连接的二极管第二掺杂区和位于二极管第二掺杂区外围的隔离保护环，且隔离保护环不闭合，第二多晶硅层向下延伸的连接部分穿过第二氧化层与第一多晶硅层上的二极管第一掺杂区连接形成纵向的PN结，二极管的第一电极穿过绝缘介质层和第二氧化层与第一多晶硅层连接、第二电极穿过绝缘介质层与第二多晶硅层上的二极管第二掺杂区连接，保护电极穿过绝缘介质层与第二多晶硅层上的隔离保护环连接，且保护电极与第二电极连接形成等电位。
本实用新型的温度传感二极管连接在晶体管的硅片有源区内，温度传感二极管制作于两层多晶硅上，其第一多晶硅层与第二多晶硅层之间通过第二氧化层实现隔离，以保证有良好的电隔离，第一多晶硅层与第二多晶硅层直接接触区域通过纵向PN结连接，使温度传感二极管形成多晶硅结构，能与晶体管一起制作，集成在同一颗芯片上，因此能将温度传感二极管置于芯片中温度变化比较敏感的位置来探测芯片温度，由于温度传感二极管的电压受温度变化较明显并且比较稳定，更能够实时、直接、准确的探测、监控晶体管的温度。本实用新型针对将温度传感二极管置于硅片的有源区内，而在有源区内为晶体管的有效结构，通过设置在二极管第二掺杂区外部的隔离保护环，以及二极管区域内的隔离垫，达到隔离周边的信号及主器件的干扰，使温度传感二极管不受外界电流电压及电场变化的影响，故能妥善保护二极管的工作环境，为其提供良好安静的工作条件，保证二极管能够有效、安全的工作。本实用新型隔离保护环采用非封闭结构，能避免封闭环绕带来寄生的电感效应，进一步提高了其抗干扰能力及可靠性。本实用新型将连接隔离保护环保护电极与温度传感二极管的第二电极连接形成等电位，使得器件特性更加均匀，可靠性更高。
本实用新型的第一多晶硅层与晶体管的多晶硅栅同时形成，通过光刻得到所需图形，且该多晶硅自掺杂形成导电的多晶硅栅和二极管第一掺杂区，不需要另外的离子注入，简化了工艺步骤。本实用新型只需要增加第二多晶硅层，通过离子注入形成二极管第二掺杂区，并通过光刻第二多晶硅层得到不相连接的二极管第二掺杂区和位于二极管第二掺杂区外部的隔离保护环，通过绝缘介质层进行隔离，实现对二极管的保护。本实用新型通过光刻第二氧化层，实现第一多晶硅层与第二多晶层的PN结，可使PN结界面更加平整均匀，因此耐压较高，电流更加均匀，可靠性更高，从而提高温度传感二极管的工作可靠性，同时也能通过调整第二多晶硅层的厚度和掺杂浓度，能方便控制二极管耐压性能，不影响主芯片特性。本实用新型能与晶体管工艺兼容，降低制造成本。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的详细描述。
图1是本实用新型集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构结构示意图。
图2是图1的A向结构示意图。
图3是本实用新型不同硼剂量下二极管耐压随第二多晶硅层厚度的变化曲线图。
其中：1—硅片，2—第二掺杂区，3—第一掺杂区，4—隔离窗口，5—掺杂保护区，6—第一氧化层，6-1—隔离垫，6-2—栅氧化层，7—PN结窗口，8—第一多晶硅层，8-1—二极管第一掺杂区，8-2—多晶硅栅，9—第二氧化层，9-1—隔离部分，10—有源区元胞窗口，11—发射极，12—栅极，13—保护电极，14—第一电极，15—绝缘介质层，15-1—环形隔离部分，16—第二电极，17—第二多晶硅层，17-1—隔离保护环，17-2—二极管第二掺杂区，17-3—连接部分。
具体实施方式
见图1、2所示，本实用新型集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，硅片1有源区内依次连接有第一氧化层6和其上部的第一多晶硅层8，该第一多晶硅层8为晶体管的多晶硅栅8-2，第一氧化层6作为晶体管的栅氧化层6-2，硅片1在有源区元胞内有与硅片1连接的第一掺杂区3和连接在第一掺杂区3内的第二掺杂区2，发射极11与第一掺杂区3和第二掺杂区2连接，栅极12与多晶硅栅8-2连接，而第一多晶硅层8同时作为本实用新型二极管第一掺杂区8-1，第一多晶硅层8上部连接有第二氧化层9，通过第二氧化层9实现对第一多晶硅层8和第二多晶硅层17有效的电气隔离，第二氧化层 9具有向下穿过第一多晶硅层8和第一氧化层6并与晶体管连接用以隔离出二极管区域的隔离部分9-1，将温度传感二极管能集成在晶体管内，并对温度传感二极管进行保护。见图1所示，本实用新型第二氧化层9的隔离部分9-1连接有晶体管的发射极11，晶体管的发射极11穿出晶体管的第二掺杂区2并与晶体管的第一掺杂区3及外侧的第二掺杂区 2连接，晶体管的发射极11能断开第二掺杂区2，能保证器件的正常工作。本实用新型第二氧化层9的隔离部分9-1可为环状结构或通槽结构，隔离部分9-1的宽度在5-10μm，如隔离部分9-1的宽度在6-8μm，隔离部分9-1可采用周边宽度相同，或周边宽度不相同。
见图1、2所示，本实用新型隔离部分9-1内第一多晶硅层8形成二极管第一掺杂区8-1，其隔离部分9-1内的第一氧化层6构成二极管的隔离垫6-1，达到隔离周边的信号及主器件的干扰，第二氧化层9上部连接有二极管区域处的第二多晶硅层17及顶部的绝缘介质层15，该第二多晶硅层17仅在二极管区域处，绝缘介质层15具有向下穿过第二多晶硅层17与第二氧化层9连接的环形隔离部分15-1，环形隔离部分15-1将第二多晶硅层17形成不相连接的二极管第二掺杂区17-2和位于二极管第二掺杂区17-2外围的隔离保护环17-1，通过隔离保护环17-1达到隔离周边的信号及主器件的干扰，以保证二极管能够有效、安全的工作。
见图2所示，本实用新型第二多晶硅层17的隔离保护环17-1不闭合，第二多晶硅层17的隔离保护环17-1上的开口宽度h在5-15μm，如开口宽度h在8-12μm，由于隔离保护环17-1采用非封闭结构，能避免封闭环绕带来寄生的电感效应，进一步提高了其抗干扰能力及可靠性。见图1所示，本实用新型第二多晶硅层17向下延伸的连接部分17-3 穿过第二氧化层9与第一多晶硅层8上的二极管第一掺杂区8-1连接形成纵向的PN结，本实用新型第二多晶硅层17的二极管第二掺杂区17-2的连接部分17-3其外周面为弧形面，如弧形面采用圆形或椭圆形等，避免了传统四边形表观在拐角处容易造成电场集中的风险，提高温度传感二极管的可靠性，同时由于PN结界面更加平整均匀，耐压较高，电流更加均匀，可靠性更高。
见图1、2所示，本实用新型二极管的第一电极14穿过绝缘介质层15和第二氧化层9与第一多晶硅层8连接、第二电极16穿过绝缘介质层15与第二多晶硅层17上的二极管第二掺杂区17-2连接，保护电极13穿过绝缘介质层15与第二多晶硅层17上的隔离保护环17-1连接，且保护电极13与第二电极16连接形成等电位，使得器件特性更加均匀，可靠性更高。
见图1所示，本实用新型硅片1在二极管区域还具有与晶体管终端区离子相同杂质的掺杂保护区5，掺杂保护区5与晶体管的第一掺杂区3相接，在光刻有源区之前，还可对形成二极管的区域的保护区窗口进行注入离子和推结，形成与晶体管终端区离子相同杂质的掺杂保护区，以使得二极管能够与晶体管进行更好的隔离，该步工艺与晶体管的终端区同时形成，不需要增加额外的工艺步骤。
见图1所示，本实用新型第一多晶硅层8的二极管第一掺杂区8-1为多晶硅自掺杂n型杂质，做作二极管的阴极区，该浓度可为1×1018cm-3～1×1020cm-3,第一多晶硅层8的厚度在1-2μm，第二多晶硅层17的二极管第二掺杂区17-2为多晶硅注入p型杂质，在采用本征多晶硅并进行硼注入，制作二极管的阳极区，注入剂量1×1012cm-3～1×1013cm-3,且第二多晶硅层17的厚度在2-5μm，该厚度可为3μm或4μm等，可通过调整硼注入条件及第二多晶硅层17的厚度来调整二极管耐压性能。
本实用新型第一多晶硅层8的二极管第一掺杂区8-1为多晶硅自掺杂p型杂质，第一多晶硅层8的厚度在1-2μm，二极管第一掺杂区8-1做作二极管的阳极区，而第二多晶硅层17的二极管第二掺杂区17-2为多晶硅注入n型杂质，做作二极管的阴极区，注入剂量1×1012cm-3～1×1013cm-3,且第二多晶硅层17的厚度在2-5μm，通过控制注入n型杂质的注入条件及第二多晶硅层17的厚度来调整二极管耐压性能。
见图3所示是本实用新型不同硼剂量下二极管耐压随第二多晶硅层厚度的变化曲线图，从图3中可以看出，当第二多晶硅层17厚度2-5μm，且硼注入的剂量在1×1012cm-3～ 1×1013cm-3时,温度传感二极管耐压>50V，保证了其不易因外部环境干扰导致失效，同时参数调整范围也较宽，其击穿电压对剂量更加敏感。而当第二多晶硅层17厚度在2-5μm，且硼注入的剂量1×1014cm-3时,温度传感二极管耐压＜20V，通过隔离保护结构，对保证温度传感二极管安全可靠工作。
Claims (8)
1.一种集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，其特征在于：硅片(1)有源区内依次连接有第一氧化层(6)和其上部的第一多晶硅层(8)，所述第一多晶硅层(8)上部连接有第二氧化层(9)，第二氧化层(9)具有向下穿过第一多晶硅层(8)和第一氧化层(6)并与晶体管连接用以隔离出二极管区域的隔离部分(9-1)，隔离部分(9-1)内的第一多晶硅层(8)形成二极管第一掺杂区(8-1)，第二氧化层(9)上部连接有二极管区域处的第二多晶硅层(17)及顶部的绝缘介质层(15)，绝缘介质层(15)具有向下穿过第二多晶硅层(17)与第二氧化层(9)连接的环形隔离部分(15-1)，环形隔离部分(15-1)将第二多晶硅层(17)形成不相连接的二极管第二掺杂区(17-2)和位于二极管第二掺杂区(17-2)外围的隔离保护环(17-1)，且隔离保护环(17-1)不闭合，第二多晶硅层(17)向下延伸的连接部分(17-3)穿过第二氧化层(9)与第一多晶硅层(8)上的二极管第一掺杂区(8-1)连接形成纵向的PN结，二极管的第一电极(14)穿过绝缘介质层(15)和第二氧化层(9)与第一多晶硅层(8)连接、第二电极(16)穿过绝缘介质层(15)与第二多晶硅层(17)上的二极管第二掺杂区(17-2)连接，保护电极(13)穿过绝缘介质层(15)与第二多晶硅层(17)上的隔离保护环(17-1)连接，且保护电极(13)与第二电极(16)连接形成等电位。
2.根据权利要求1所述的集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，其特征在于：硅片(1)在二极管区域还具有与晶体管终端区离子相同杂质的掺杂保护区(5)，掺杂保护区(5)与晶体管的第一掺杂区(3)相接。
3.根据权利要求1所述的集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，其特征在于：所述第二氧化层(9)的隔离部分(9-1)连接有晶体管的发射极(11)，晶体管的发射极(11)穿出晶体管的第二掺杂区(2)并与晶体管的第一掺杂区(3)和外侧的第二掺杂区(2)连接。
4.根据权利要求1所述的集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，其特征在于：所述第二多晶硅层(17)的二极管第二掺杂区(17-2)的连接部分(17-3)其外周面为弧形面。
5.根据权利要求1所述的集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，其特征在于：所述第二多晶硅层(17)的隔离保护环(17-1)上的开口宽度h在5-15μm。
6.根据权利要求1所述的集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，其特征在于：所述第二氧化层(9)上的隔离部分(9-1)的宽度在5-10μm。
7.根据权利要求1所述的集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，其特征在于：所述第一多晶硅层(8)的二极管第一掺杂区(8-1)为多晶硅自掺杂n型杂质，第一多晶硅层(8)的厚度在1-2μm，第二多晶硅层(17)的二极管第二掺杂区(17-2)为多晶硅注入p型杂质，注入剂量1×1012cm-3～1×1013cm-3,且第二多晶硅层(17)的厚度在2-5μm。
8.根据权利要求1所述的集成在晶体管上纵向PN结的温度传感二极管结构，其特征在于：所述第一多晶硅层(8)的二极管第一掺杂区(8-1)为多晶硅自掺杂p型杂质，第一多晶硅层(8)的厚度在1-2μm，第二多晶硅层(17)的二极管第二掺杂区(17-2)为多晶硅注入n型杂质，注入剂量1×1012cm-3～1×1013cm-3,且第二多晶硅层(17)的厚度在2-5μm。
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| CN110118927A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-08-13 | 重庆蓝岸通讯技术有限公司 | 高速控制芯片热分布自检结构及监测系统 |
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| CN110118927B (zh) * | 2019-05-30 | 2021-07-16 | 重庆蓝岸通讯技术有限公司 | 高速控制芯片热分布自检结构及监测系统 |
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